太陽系的矮行星

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冥王星的發現
大約在90年前，一位在美國亞利桑那州羅威爾天文台(Lowell Observatory)擔任觀測助理的年輕人的一項重大發現，改變我們對太陽系的認識與看法。這位來自農村年僅22歲的年輕人名叫湯博(Clyde Tombaugh)，他在天文臺裡的主要工作，是協助天文學家觀測並尋找一顆在當時被認為導致天王星與海王星在軌道上不正常運行的未知行星－行星Ｘ。這項任務也是該天文臺創始人羅威爾(Percival Lowell)一生追求找尋的目標。
在一整年時間裡，湯博花費無數夜晚透過天文望遠鏡鏡頭對各個天空星區拍攝，接著數月單調乏味掃描，只為了尋找新行星的蹤跡。在1930年1月23日和29日那兩次被記錄在天文學史書上的照片之前，他已經拍攝上百張照片。觀測並拍照之後，並不能夠立即發現到新行星。他利用天文臺裡的閃爍比較儀(blink comparator)來檢查底片，也就是將不同拍照同一天區進行快速切換比對，從固定不變的恆星背景中，用肉眼發現那些星點發生位置改變。皇天不負苦心人，終於在1930年2月18日下午4點，把兩張在雙子座附近天區裡拍攝的底片經過仔細對比，終於檢視到有一顆極暗淡的移動星體，如圖1，後來被證實是一顆新的行星。羅威爾天文台的天文學家投票通過，接受一位英國牛津11歲小女孩提議，將這顆新發現的行星，命名為冥王星－布魯托(Pluto)，即羅馬神話中掌管冥界地府之神。經過美國天文協會、英國皇家天文協會及國際天文聯合會(International Astronomical Union，IAU) 確認，正式成為太陽系第9顆行星。
圖1. 發現冥王星的兩張底片。圖左為湯博，中、右二圖分別是1930年1月23日及29日所拍，箭頭所指是冥王星移動情形(資料來源：Lowell Observatory photographs)
雖然冥王星是一顆寒冷的行星，距離地球約60億公里遠，是地球離太陽平均距離(簡稱1AU)的40倍遠，當時最小行星－水星的質量也比它大24倍；它的質量與體積甚至比我們地球的衛星－月球還要小。它的軌道面和黃道面夾17.2度，軌道較扁長。但是，它並不孤單，至2019年為止發現它有五顆衛星，最大名叫凱倫(Chron，冥衛一)，其它4顆是被哈伯太空望遠鏡(Hubble Space Telescope)發現，IAU分別把它們命名為尼克斯(Nix，冥衛二)、海卓拉(Hydra，冥衛三)、克伯羅斯(Kerberos，冥衛四)及史提克斯(Styx，冥衛五) 如圖2。
圖2. 冥王星的五顆衛星示意圖(資料來源： NASA/ESA/A. Feild (STScI))
冥王星降級的導火線－鬩神星的出現
一群來自美國夏威夷大學以天文學家朱維特(David Jewitt)為首的研究團隊，利用夏威夷毛納基山天文台裝上數位電子探測器－俗稱感光耦合元件(CCDs)的設備望遠鏡，經歷5年在海王星和冥王星之外空間搜索，即天文學上所稱柯伊伯帶(Kuiper Belt)區域進行觀測，終於在1992年8月30日發現第1顆海王星之外天體。至目前為止已知在該區域發現超過千顆以上天體，這些天體與行星幾乎處在相同黃道面上而且成圓盤狀軌道，這些星體現在被正式稱為海王星外天體(Trans-Neptunian Objects，TNOs)。該環帶散布著大量冰凍天體，宛如太陽系中的冰庫。隨著海王星外天體數量被發現越來越多，許多人似乎不禁認為，應該會有跟冥王星一樣大小，甚至更大的天體會接著被發現。此時讓世界多數天文學家開始對冥王星成為一顆行星地位感到存疑甚至引起不同看法爭論，直到齊娜（Xena）的出現，才將爭論推向高峰。
美國加州理工學院天文學家布朗(Mike Brown)等研究團隊於2003年10月21日夜晚，利用位於美國加州帕洛馬天文臺(Palomar Observatory)望遠鏡，對著太陽系盡頭邊緣進行拍攝，從一堆於當天拍攝的相片中，透過事後分析發現，該區域是另外一個冰冷世界。最讓更能振奮的消息是，發現一顆與比冥王星略大的天體且環繞太陽運行。接著在2005年7月29日公布此發現消息，當時它的暫時編號為2003 UB313，名字暫稱為齊娜（Xena）。它於2005年7月位於距離太陽97個天文單位(97AU)遠的位置，而它的軌道極為傾斜，公轉周期為557年。在2006年8月的「第26屆國際天文聯合會大會」上，把2003 UB313劃入矮行星之列，並以希臘神話中的鬩神厄里斯（Eris）命名。這顆星的中文名稱為鬩(ㄒㄧˋ)神星，在希臘神話中Eris是專門挑起眾神們之間不合與爭吵的女神。2005年位於夏威夷島上觀天巨眼－凱克雙胞胎巨型望遠鏡(The twin Keck telescopes)以先進的光學系統拍攝到鬩神星相伴的暗淡天體－它的衛星。該衛星以厄里斯（Eris）女兒名字戴絲諾米亞(Dysnomia)命名，如圖3。
圖3. 哈伯太空望遠鏡下的鬩神星(Eris)與它的衛星戴絲諾米亞(Dysnomia)(資料來源：NASA, ESA and M. Brown)
上述的發現，冥王星的第9大行星地位，更加顯得受到挑戰。如果冥王星是9大行星之一，那麼鬩神星該不該是第10大行星呢?隨著觀測科技的精進，科學家們將不斷在太陽系盡頭的地帶找到與冥王星和鬩神星大小相當的天體，如果它們全部被接納為行星，太陽系的行星數量將不斷地擴大；如果拒絕接納，那麼行星的界限應該劃到那裡呢？這就是促使IAU天文學家必須嚴肅面臨「行星」名稱定位的問題。
太陽系新面貌－新太陽系天體分類
國際天文聯合會(IAU)自從1919年成立來，它主要的任務是經由國際合作提升天文學研究領域一切事務，包括負責整合恆星、小行星、衛星、彗星等新天體以及天文學名詞的定義與英文命名。例如，國內學生所認識天空88個星座名稱的設立與星座界線劃分，皆是IAU權責範圍。會員由一群博士以上的專業天文學家所組成，積極參與天文學研究與教育及發展等活動，是國際上承認的最具權威、最專業的天文組織。每3年舉行一次會員大會，至2007年為止，個別會員共有1萬3千人以上，目前有82個「國家會員」(national members)，臺灣中研院也是其中國家會員成員之一。
針對冥王星是否為行星問題， IAU成立一個行星定義委員會，公開向專業天文學家、行星科學家、歷史學家、科學出版界人士、作家和教育人員等廣泛徵求意見。經過激烈的討論與審查後，漸漸形成共識的行星定義草案，最後提交到2006年8月14至24日在捷克首都布拉格舉行第26屆IAU的全體會議上進一步討論與表決，該次會員大會由世界各地天文學家代表出席，會議最受矚目的就是表決第5、6號決議草案，如圖4。
圖4. IAU會員大會投票表決議案現場 (資料來源：IAU/Robert Hurt SSC)
經過表決結果，重新把太陽系內的行星和其他天體劃分為下列3種不同類型(衛星不列入分類中)：
1. 行星(planet):
(1)環繞太陽運轉的星體，(2)星體的質量必須大到其自身的重力足以使本自己形體變成圓球形狀，(3)能夠清除其軌道附近的物體。符合上述條件有8顆：水星(Mercury)、金星(Venus)、地球(Earth)、火星(Mars)、木星(Jupiter)、土星(Saturn)、天王星(Uranus)、海王星(Nepture)
2. 矮行星(dwarf planet or plutoids):
(1)環繞太陽運轉的星體，(2)星體的質量必須大到其自身的重力足以使本自己形體變成圓球形狀，(3) 無法清除其軌道附近的物體，(4)不是行星的衛星。目前只有5顆：冥王星(Pluto)、鬩神星(Eris)、穀神星(Ceres)、鳥神星 (Makemake)、妊神星(Haumea) ，如圖5和表1。
圖5. 太陽系目前被正式認定的5顆矮行星(dwarf planets)
3. 太陽系小天體(small bodies of solar system ):
除了衛星外，所有環繞太陽運動其它天體。目前包括大多數小行星、海王星外星天體、彗星和其它小天體。
根據IAU的行星與矮行星定義標準，這兩類的差異在於，是否能夠清除軌道附近物體。所謂的「清除軌道」是指沒有其它和行星大小相當的天體共享同一軌道。通常其它小天體會受到行星質量較大且重力較強的影響，不是被吸附成行星一部分，就是被行星的重力拋甩到別地方。冥王星被認定不再是行星，而被歸類為矮行星，因為它是成千上萬海王星外天體(TNOs)的主要代表星體，它們都太小無法相互排拒因而共同分享軌道。同樣道理，穀神星雖然是球形狀星體，但是處在數十萬顆小行星帶中，沒有能力移開其它天體。
表1. 矮行星主要數據表
矮行星最新發現
1.冥王星
美國航太總署(NASA)的新視野號(New Horizons)探測器在2015年7月14日便已飛掠冥王星，並且已經傳回地球大量資料（超過50 GB）包括圖片、光譜、現場數據集等(如圖6)。這些資料讓我們對冥王星和它其5顆的衛星有更一步看法。天文學家曾經認為直徑2,326公里的鬩神星比冥王星更大。但是新視野號的探測發現，冥王星的直徑為2,374公里，比預測值大約差80公里，證明了冥王星是柯伊柏帶裡體積最大的星體。同時發現冥王星及其衛星有著多樣貌的地形景觀(如圖7)，包括由冰河、隕石撞擊坑、山脈、峽谷、沙丘、平原和廣大的冰川覆蓋著流動的固態氮冰，地下則可能有深達百公里的巨大冰洋，這顯示出冥王星的地質活動還是非常活躍。
冥王星大氣層是冥王星周邊薄薄的氣體層。它的主要成分是氮（N2），次要的成分還有甲烷（CH4）和一氧化碳（CO），這些成分來自冥王星地表面的冰蒸發昇華產生(如圖8)。
圖6. 不同年代及不同探測工具所拍攝的冥王星(資料來源：The Cosmic Perspective 8th edition)
圖7. 冥王星多樣貌的地形景觀(資料來源：NASA/JHUAPL/SwRI)
圖8. 冥王星的大氣層 (資料來源： NASA/JHUAPL/SwRI )
2.穀神星
曾經是第一顆被發現的小行星，在1801年發現之初被認為是新的行星，但是它的平均直徑大約只有940多公里，而且再它的軌道附近陸續發現其它小天體，後來將這些統稱小行星。2006年後又合乎矮行星定義的條件，而升級為矮行星。
美國NASA探測船－曙光號(Dawn)在2011~2012年環繞灶神星(Vesta)14個月之後，在2015年3月6日抵達穀神星，成為第一個拜訪並繞行矮行星的太空任務。穀神星是太陽系主小行星帶中最大的天體，直徑達946公里，它的質量佔小行星帶總質量的三分之一。曙光號就以前所未見的高解析度傳回影像，畫面裡出現了神秘的景象，顯示表面有許多的坑坑窪窪(如圖9)。穀神星奇特之處是擁有神祕的亮斑，曙光號已發現130個，其中最明亮的亮斑出現在92公里寬，4公里深的歐卡托(Occator)隕石坑中心(如圖10)。科學家認為明亮物質是名為硫酸鎂水合物 (MgSO4•6H2O)的鹽，有些行星科學家認為這些鹽的來源是，榖神星的淺層地表下面可能是有一層冰、鹽混合層，經過隕石撞擊後暴露出來。
圖9. 穀神星殞石坑上亮斑(資料來源：NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA)
圖10. 穀神星經過多波段處理過的殞石坑(資料來源：NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA)
如果說1492年10月12日義大利航海家哥倫布發現新大陸－美洲大陸，是人類開啟了世界歷史的新時代，那麼2015年7月14日，至今為止飛行最快的太空船－新視野號，經過近10年的星際旅行，抵達太陽系的新大陸－柯伊伯帶，更是人類觀測技術的進步與理論研究發展的大突破。此疆域是矮行星及其它小行星所處的家園，即使我們稱這些天體為矮行星，但是「矮或小」不等於不重要，那裡蘊藏大量從太陽系形成之初殘留至今的原始物質，記錄著太陽系最初形成時的歷史，也是短期彗星的源頭，這些寶庫等待我們去揭曉。